CN114910060A - 用于传感器系统的读出电路和传感器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于具有周期性的输出信号的电容式差分传感器的读出电路，所述读出电路至少包括：用于所述传感器的输出信号的电容/电压转换器；具有采样单元和滤波器单元的反馈电路，其中，所述采样单元设置用于对所述电容/电压转换器的两个反相的输出信号的差分信号进行采样并且生成经采样的差分信号，其中，所述滤波器单元设置用于对所述经采样的差分信号求平均并且生成经平均的差分信号，其中，所述反馈电路设置用于将所述经平均的差分信号作为反馈馈送到所述电容/电压转换器中。本发明还涉及一种具有读出电路的传感器系统。

Description

用于传感器系统的读出电路和传感器系统
技术领域
本发明涉及一种用于具有周期性输出信号的电容式差分传感器的读出电路。本发明还涉及一种具有读出电路的传感器系统。
背景技术
MEMS陀螺仪传感器越来越多地出现在个人电子设备和IOT设备中。对于这些应用中的大多数，电流消耗是一个非常关键的参数，但是同时也应不断改善诸如噪声之类的性能参数。
陀螺仪系统中最关键的电路模块之一是第一读出模块，该第一读出模块通常实现为电容/电压转换器(C/V转换器)，并且对整体噪声预算以及因此对功率预算做出很大贡献。这种模块必须在输入信号的频率范围中具有纯积分性的特性用于其运行，并且因此被实现为具有纯电容式反馈的放大器。
C/V转换器的一个问题是C/V转换器输入端处的偏移，所述偏移基于C/V转换器的设计中的不准确性。
发明内容
因此，本发明的任务是提供一种经改善的用于具有周期性输出信号的电容式差分传感器的读出电路以及一种经改善的传感器系统。
该任务通过根据本发明的读出电路和传感器系统解决。有利的构型在下文中描述。
根据本发明的一个方面，提供一种用于具有周期性的输出信号的电容式差分传感器的读出电路，其中，该读出电路至少包括：
用于传感器的输出信号的电容/电压转换器；
具有采样单元和滤波器单元的反馈电路，其中，采样单元设置用于对电容/电压转换器的两个反相的输出信号的差分信号进行采样并生成经采样的差分信号，其中，滤波器单元设置用于对经采样的差分信号求平均并且生成经平均的差分信号，其中，反馈电路设置用于将经平均的差分信号作为反馈馈送到电容/电压转换器中。
由此能够实现如下技术优势：可以提供用于具有周期性的输出信号的电容式差分传感器的经改善的读出电路，其中，能够减小或中和读出电路的电容/电压转换器的不希望的偏移。为此，读出电路除了电容/电压转换器之外还包括具有采样单元和滤波器单元的反馈电路。通过采样单元能够生成电容/电压转换器的两个反相的输出信号的经采样的差分信号，而通过滤波器单元可以生成经平均的差分信号。反馈电路设置用于将经平均的差分信号作为反馈馈送到电容/电压转换器中。通过所馈送的经平均的差分信号可以减少或中和电容/电压转换器的直流电压偏移。电容/电压转换器的两个反相的输出信号的经平均的差分信号在此相应于在电容/电压转换器的周期性的输出信号的周期上经平均的直流电压偏移。通过将具有相应正负号的经平均的差分信号馈送到电容/电压转换器的输入连接部中，可以减少或中和那里出现的直流电压偏移。由此能够显着降低电容/电压转换器的噪声行为以及与之相关地整个读出电路的噪声行为。
根据一种实施方式，反馈电路还设置用于将经平均的差分信号与共模电压信号叠加。
由此能够实现以下技术优势：通过除了经平均的差分信号以外馈送到电容/电压转换器的输入连接部中的共模电压信号，可以使施加在电容/电压转换器的输入连接部处的电压达到预先确定的值。由此可以在优选的运行范围中运行电容/电压转换器，由此可以提高电容/电压转换器的效率和精度。
根据一种实施方式，采样单元设置用于以预先确定的采样频率对差分信号进行采样，其中，该采样频率至少为电容/电压转换器的反相的输出信号的频率的两倍。
由此能够实现以下技术优势：在通过采样单元进行采样时，能够考虑到电容/电压转换器的输出信号的周期性。电容/电压转换器的输出信号的周期性在此对应于传感器的输出信号的周期性。
根据一种实施方式，采样单元设置用于，以如下采样频率对差分信号进行采样：该采样频率是输出信号的频率的整数倍。
由此能够实现以下技术优势：通过由采样单元进行的采样，能够考虑到输出信号的周期性。由此能够精确地求取电容/电压转换器的反相的输出信号的直流电压偏移。
根据一种实施方式，滤波器单元设置用于以输出频率输出经平均的差分信号，其中，该输出频率Fout相应于电容/电压转换器的反相的输出信号的频率Fs的一部分：Fout＝Fs/n，n＝{1，2，...}。
由此能够实现以下技术优势：能够确定精确的经平均的差分信号，并且与此相关地能够确定直流偏移的精确的值。由于输出频率最大等于电容/电压转换器的反相的输出信号的周期性，因此对经采样的差分信号的求平均能够在电容/电压转换器的反相的输出信号的至少一个周期上或多个彼此相继的周期上进行。由此能够实现精确的求平均，并且与此相关地能够实现直流偏移的精确确定。
根据一种实施方式，反馈电路还包括反馈电容器元件，其中，该反馈电容器元件设置用于将经平均的差分信号馈送到电容/电压转换器中。
由此能够实现以下技术优势：能够将经平均的差分信号通过反馈电容器元件以电荷的形式馈送到电容/电压转换器的输入连接部中。由此可以将所馈送的经平均的差分信号通过电容/电压转换器作为反馈输入信号来处理。
根据一种实施方式，滤波器单元构造为具有有限脉冲响应FIR的滤波器。
由此能够实现以下技术优势：能够提供性能卓越且精确的滤波器单元。
根据一种实施方式，滤波器单元构造为无源的滤波器元件。
由此能够实现以下技术优势：不需要附加的功率来运行滤波器单元。由此可以提供尽可能省电的读出电路。
根据本发明的第二方面，提供一种传感器系统，该传感器系统具有带有周期性的输出信号的电容式差分传感器和根据前述实施方式之一所述的读出电路。
由此能够实现以下技术优势：可以提供具有上述技术优势的、具有读出电路的经改善的传感器系统。
根据一种实施方式，该传感器构造为电容式转速传感器。
由此能够实现以下技术优势：可以提供具有上述技术优势的、具有电容式转速传感器的经改善的传感器系统。
附图说明
基于附图阐述本发明的实施例。在示意图中示出：
图1示出根据一种实施方式的具有读出电路的传感器系统的示意图；
图2示出根据一种实施方式的读出电路的信号处理的框图；
图3示出根据一种实施方式的读出电路的信号处理的时序图。
具体实施方式
图1示出根据一种实施方式的具有读出电路100的传感器系统200的示意图。
在所示实施方式中，传感器系统200包括电容式差分传感器201和读出电路100。读出电路100包括电容/电压转换器107和反馈电路101。
电容/电压转换器107包括两个输入连接部INP、INN和两个输出连接部OutP、OutN，并且设置用于，放大电容式差分传感器201的电容输出信号并将其转换为相应地放大的电压信号。
电容/电压转换器107还具有两个其他反馈电容器Cf，其根据现有技术地设置用于将呈信号电荷形式的电容反馈信号馈送到输入连接部INP、INN中。
反馈电路101与其他反馈电容器Cf并联连接，并且借助输入连接部INP；INN和输出连接部OutP、OutN与电容/电压转换器107连接。反馈电路101包括相互串联连接的采样单元103和滤波器单元105。在所示实施方式中，反馈电路101还包括两个反馈电容器Cfb和两个共模电压源VCM，它们在反馈电路101的信号处理方向D上分别连接在滤波器单元105之后。
反馈电路101分别具有两个信号处理路径，所述两个信号处理路径彼此分离地分别连接在输入连接部INP、INN和相应的输出连接部OutP、OutN之间。
电容式差分传感器201具有周期性的输出信号，并且例如可以构造为电容式转速传感器。将传感器201的周期性的电容输出信号以相应的信号电荷的形式作为相应的输入信号VinP、VinN馈送到电容/电压转换器107的输入连接部INP、INN中。电容/电压转换器107将输入信号VinP、VinN放大并将其转换成相应的电压信号，并输出相应的输出信号VoutP、VoutN。在此，输出信号VoutP、VoutN具有电容传感器201的周期性的输出信号的周期性，并且完全差分地构造，即构造为完全反相的输出信号。
通过反馈电路101的两个信号处理路径将来自两个输出连接部OutP、OutN的两个反相的输出信号引导至采样单元103中。采样单元103设置用于形成两个反相的输出信号的差分信号，并以采样频率对该差分信号进行采样，以及形成相应的经采样的差分信号。将经采样的差分信号传输给滤波器单元105，该滤波器单元设置用于对经采样的差分信号求平均并以输出频率输出经平均的差分信号。在所示实施方式中，将经平均的差分信号与共模电压源的共模电压信号叠加，并且借助经平均的差分信号和叠加的共模电压信号分别对两个反馈电容器Cfb充电。在此，反馈电容器Cfb借助经平均的差分信号和共模电压信号形成相应的信号电荷，所述信号电荷被馈送到电容/电压转换器107的输入连接部INP、INN中作为反馈信号。
滤波器单元105例如可以构造为具有有限脉冲响应FIR的滤波器。替代地或附加地，滤波器单元105可以作为无源滤波器运行。
例如，共模电压源VCM可以是接地电压。替代地，共模电压可以生成为与电容/电压转换器107的运行电压成比例的参考。
反馈电路101因此设置用于，将电容/电压转换器107的周期性的且反相的电压信号转换成与电容/电压转换器107的两个反相的输出信号之差相对应的经平均的差分信号，将经平均的差分信号与共模电压信号叠加，并将相应的信号电荷馈送到电容/电压转换器107的输入连接部INP、INN中作为反馈。
通过将经平均的差分信号馈送到电容/电压转换器107的输入连接部INP、INN中，可以减小或中和电容/电压转换器107的直流电压偏移。此外，可以降低电容/电压转换器107的热噪声。
通过将共模电压信号VCM馈送到电容/电压转换器107的输入连接部INP、INN中，可以控制在电容/电压转换器的输入连接部INP、INN处存在的电压电平，以便因此能够在优选的运行状态下运行电容/电压转换器107。
在所示实施方式中，反馈电路101构造为一阶反馈回路，并且可以将由经平均的差分信号和共模电压信号VCM组成的反馈信号作为相应的信号电荷馈送到电容/电压转换器107的输入连接部INP、INN中。由此可以将输入连接部INP、INN处的共模电压的控制以技术上简单的方式构造为在输入连接部INP、INN与反馈电路101的反馈电容器Cfb的共模电压信号之间的电荷分配。
读出电路100尤其可以构造为专用集成电路ASIC。
图2示出根据一种实施方式的读出电路100的信号处理的框图。
为了通过反馈电路101对电容式电压转换器107的输出信号VoutP、VoutN进行信号处理，首先将输出信号VoutP、VoutN沿信号处理方向D引入到采样单元103中。采样单元103由两个反相的输出信号VoutP、VoutN形成相应的差分信号，所述两个反相的输出信号分别是周期性的信号并且具有电容式差分传感器201的周期性的输出信号的周期性，所述相应的差分信号相应于两个反相的输出信号VoutP、VoutN之差。根据采样频率Fsmp和时间上的采样周期Tsmp＝1/Fsmp，采样单元103对经平均的差分信号Vdiff进行采样，并形成经采样的差分信号。在此，采样频率Fsmp可以相应于电容/电压转换器107的周期性的输出信号VoutP、VoutN的频率Fs的整数倍，其中，周期性的输出信号VoutP、VoutN具有相应的周期Ts＝1/Fs。输出信号VoutP、VoutN的频率Fs在此相应于电容式差分传感器201的周期性的输出信号的频率。
采样单元103然后将经采样的差分信号Vdiff输出给滤波器单元105。滤波器单元105对经采样的差分信号Vdiff求平均，并形成经平均的差分信号Vdiff_avg。根据输出频率Fout，滤波器单元105输出经平均的差分信号Vdiff_avg作为输出信号。该输出信号在此相应于输出频率Fout地具有输出周期Tout＝1/Fout。输出频率Fout在此可以相应于电容/电压转换器107的反相的输出信号VoutP、VoutN的频率Fs的一部分，并且满足以下关系，Fout＝Fs/n，其中n＝1、2、...。
根据输出频率Fout，因此可以针对电容/电压转换器107的周期性的输出信号VoutP、VoutN的至少一个周期来执行经平均的差分信号Vdiff的求平均。
然后，将经平均的差分信号Vdiff_avg分别与共模电压信号(Gleichtackt-Spannungssignal)VCM叠加并输出给相应的输入连接部INP、INN。在图2中，未示出反馈电容器Cfb。按照图1的实施方案，将叠加的差分信号Vdiff_avg和直流电压信号VCM以相应的信号电荷的形式馈送到输入连接部INP、INN中。
图3示出根据一种实施方式的读出电路100的信号处理的时序图。
图3示出电容/电压转换器107的两个周期性的反相的输出信号VoutP、VoutN的时间上的变化过程。两个输出信号VoutP、VoutN是正弦形状的，并且是完全反相的。此外，两个输出信号VoutP、VoutN具有呈直流偏移DC-Offset形式的相互的偏移，其通过两个输出信号VoutP、VoutN的过零点中的不消失的差示出。
此外，在图3中针对不同采样时刻示出差分信号Vdiff，其通过采样单元103生成为两个反相的输出信号VoutP、VoutN之差。通过采样单元103形成的差分信号Vdiff随后根据采样频率Fsmp在所示出的采样周期Tsmp＝1/Fsmp中被采样，并生成相应地采样的差分信号。采样频率Fsmp在此相应于周期性的输出信号VoutP、VoutN的频率Fs的至少两倍。在所示实施方式中，采样频率Fsmp相应于输出信号VoutP、VoutN的频率Fs的四倍，由此，所示出的采样周期Tsmp相应于周期性的输出信号VoutP、VoutN的周期Ts＝1/Fs的四分之一。
经采样的差分信号Vdiff如上所述地通过滤波器单元105求平均，并以输出频率Fout且以相应的输出周期Tout＝1/Fout输出。在所示实施方式中，输出频率Fout＝1/Tout相应于输出信号VoutP、VoutN的频率Fs＝1/Ts，由此输出周期Tout同样相应于输出信号VoutP、VoutN的周期Ts。替代地，在此，输出频率Fout可以相应于频率Fs的一部分，即Fs/n，其中n＝1、2、...。在图3中所示出的实施方式中，因此通过滤波器单元105针对输出信号VoutP、VoutN的周期Ts对经采样的差分信号Vdiff求平均。相反，在较低的输出频率Tout的情况下，可以针对输出信号VoutP、VoutN的周期的整数倍对经采样的差分信号Vdiff求平均，并且可以生成相应地经平均的差分信号Vdiff_avg。
经平均的差分信号Vdiff_avg在此描述直流电压偏移DC-offset。

Claims (10)

1.一种用于具有周期性的输出信号的电容式差分传感器的读出电路(100)，所述读出电路至少包括：
用于所述传感器的输出信号(VinP，VinN)的电容/电压转换器(107)；
具有采样单元(103)和滤波器单元(105)的反馈电路(101)，其中，所述采样单元设置用于对所述电容/电压转换器(107)的两个反相的输出信号(VoutP，VoutN)的差分信号(Vdiff)进行采样并且生成经采样的差分信号，其中，所述滤波器单元(105)设置用于对所述经采样的差分信号求平均并且生成经平均的差分信号(Vdiff_avg)，其中，所述反馈电路(100)设置用于将所述经平均的差分信号(Vdiff_avg)作为反馈馈送到所述电容/电压转换器(107)中。
2.根据权利要求1所述的读出电路(100)，其中，所述反馈电路(100)还设置用于，将所述经平均的差分信号(Vdiff_avg)与共模电压信号(Vcm)叠加。
3.根据权利要求1或2所述的读出电路(100)，其中，所述采样单元(103)设置用于，以预先确定的采样频率(Fsmp)对所述差分信号(Vdiff)进行采样，其中，所述采样频率(Fsmp)至少为所述电容/电压转换器(107)的反相的输出信号(VoutP，VoutN)的频率(Fs)的两倍。
4.根据权利要求3所述的读出电路(100)，其中，所述采样单元(103)设置用于，以如下采样频率(Fsmp)对所述差分信号(Vdiff)进行采样：所述采样频率是所述输出信号(VoutP，VoutN)的频率(Fs)的整数倍。
5.根据以上权利要求中任一项所述的读出电路(100)，其中，所述滤波器单元(105)设置用于，以输出频率(Fout)输出所述经平均的差分信号(Vdiff_avg)，其中，所述输出频率(Fout)相应于所述电容/电压转换器(107)的反相的输出信号(VoutP，VoutN)的频率(Fs)的一部分：Fout＝Fs/n，其中，n＝{1，2，...}。
6.根据以上权利要求中任一项所述的读出电路(100)，其中，所述反馈电路(101)还包括至少一个反馈电容器元件(Cfb)，其中，所述反馈电容器元件(Cfb)设置用于，将所述经平均的差分信号(Vdiff_avg)馈送到所述电容/电压转换器(107)中。
7.根据以上权利要求中任一项所述的读出电路(100)，其中，所述滤波器单元(105)构造为具有有限脉冲响应FIR的滤波器。
8.根据以上权利要求中任一项所述的读出电路(100)，其中，所述滤波器单元(105)构造为无源的滤波器元件。
9.一种传感器系统(200)，所述传感器系统具有电容式差分传感器(201)和根据以上权利要求1至8中任一项所述的读出电路(100)，所述电容式差分传感器具有周期性的输出信号。
10.根据权利要求9所述的传感器系统(200)，其中，所述传感器(201)构造为电容式转速传感器。
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